коля / u_course

влияет на их механические свойства. Возможность распада пересыщенных растворов в α-латунях, содержащих более 34 % Zn, и в (α + β)-латунях следует также учитывать при выборе режимов отжига для уменьшения напряжений. Сильная холодная деформация может ускорять распад пересыщенных α- и β-растворов при отжиге.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы Cu–Zn и температурные интервалы: 1 – нагрева под обработку давлением; 2 – рекристаллизационного отжига; 3 – отжига для уменьшения остаточных напряжений

Температура начала рекристаллизации латуни Л63 колеблется от 250 до 480 оС. Наиболее мелкозернистая структура в сплаве Л63 образуется после отжига при температурах 300–400 оС. Чем выше степень предшествующей холодной деформации, тем меньше величина рекристаллизованного зерна и больше твердость (при одинаковых условиях отжига).

Качество отожженного материала определяется не только его механическими свойствами, но и величиной рекристаллизованного зерна. Величина зерна в полностью рекристаллизованной структуре довольно однородна. При неправильно установленных режимах рекристаллизационного отжига в структуре четко обнаруживаются две группы зерен различной величины. Эта так называемая двойная структура особенно нежелательна при операциях глубокой вытяжки, гиба или полировки и травления изделий.

С увеличением размеров зерна до определенного предела штампуемость латуней улучшается, но качество поверхности ухудшается. На поверхности изделия при величине зерна более 40 мкм наблюдается характерная шероховатость – «апельсиновая корка».

20

Этапы эволюции деформированной структуры значительно растянуты во времени, и поэтому представляется возможным получение частично или полностью рекристаллизованной структуры с мелким зерном путем варьирования времени отжига. Полуфабрикаты с не полностью рекристаллизованной структурой с очень малым размером зерна штампуются без образования «апельсиновой корки».

Неполный отжиг, продолжительность которого определяется степенью предварительной деформации, проводят в интервале 250–400 оС. Для соблюдения точного технологического режима такой отжиг следует выполнять в протяжных печах, где строго контролируется рабочая температура и продолжительность выдержки (скорость протяжки).

Неполный отжиг применяют преимущественно с целью уменьшения остаточных напряжений, которые могут приводить к так называемому «сезонному растрескиванию». Этот вид коррозии, присущий латуням с содержанием более 15 % Zn, заключается в постепенном развитии межкристаллитных трещин при одновременном воздействии напряжений (остаточных и приложенных) и специфических химических реагентов (например, растворы и пары аммиака, растворы ртутных солей, влажный серный ангидрид и т.д.). Считается, что чувствительность латуней к сезонному растрескиванию обусловлена скорее неоднородностью напряжений, чем их абсолютной величиной.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжений проводят в тем-

пературном интервале ниже температуры начала рекристаллизации с тем, чтобы заметно не снижались механические свойства, полученные нагартовкой. Обычно этот интервал температур лежит между 250 и 330 оС, а продолжительность отжига колеблется от 1 до 2 ч. Такая операция значительно снижает остаточные напряжения и, как правило, выравнивает их по объему изделия. (Режимы отжига латуней для уменьшения остаточных напряжений даны в табл. 2.1.)

2.2. Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно-твердеющих сплавов

Дисперсионно-твердеющие сплавы претерпевают фазовые превращения в твердом состоянии и подвергаются закалке без полиморфного превращения. Закалка, или обработка на твердый раствор, преследует

21

две цели: подготовить сплав к старению и добиться максимальной пластичности для дальнейшей деформации.

В табл. 2.2 представлены марки и режимы термической обработки основных промышленных дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе.

Таблица 2.2

Режимы закалки и старения промышленных дисперсионно-твердеющих сплавов на медной основе

Температура нагрева под закалку должна обеспечивать как можно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе и находиться в двойной системе между линиями сольвуса и солидуса. Хотя процессы растворения избыточных фаз значительно ускоряются с повышением температуры, нагрев в непосредственной близости к линии солидуса технологически нерационален. В этом случае из-за возможного перепада температур в садке и неточности теплового контроля возникает опасность пережога изделия. Отсюда вытекает строгое требование контролировать температуру в закалочных печах с точностью ± 10 оС. Слишком высокие температуры нагрева под закалку могут привести также к росту зерна до недопустимых размеров.

Время выдержки определяется полнотой процессов растворения избыточных фаз. Чем дисперснее избыточная фаза, тем быстрее она растворяется. Деформированные сплавы выдерживают меньшее время, чем литые. Если избыточная фаза полностью не растворена, то получить оптимальные свойства после старения не представляется возможным. Длительные нагревы, помимо задолженности печей, приводят к росту зерна, сильному окалинообразованию и нежелательному увеличению диффузионной зоны, состоящей из окислов легирующего элемента.

22

Продолжительность выдержки деформированных полуфабрикатов и изделий из них при температурах нагрева под закалку, оцененная с учетом кинетики изотермического растворения избыточных фаз, невелика и составляет 30–40 с при 810–830 оС для сплава ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5; 10–15 с при 770–790 оС для бериллиевых бронз и 5 мин при 1030 оС для хромовых, циркониевых и хромциркониевых бронз. Основной лимитирующий фактор при нагреве под закалку – время прогрева полуфабрикатов до заданной температуры. Практически продолжительность нагрева выбирают из расчета примерно 1 ч на 25 мм сечения полуфабриката. Это время зависит от способа нагрева, атмосферы печи, геометрии полуфабриката и массы садки. Полосы и ленты толщиной более 2 мм обычно нагревают в садочных печах, ленты толщиной менее 2 мм – в протяжных.

Охлаждение при закалке должно быть достаточно резким, чтобы исключить распад пересыщенного матричного раствора в процессе охлаждения. Закалка в воде дает большие остаточные термические напряжения и вызывает поводку и коробление изделия. Поэтому при выборе закалочных сред следует учитывать критические скорости.

Качество закаленного металла контролируют металлографически либо по величине удельной электропроводности.

Температуру и продолжительность старения определяют экспериментально в каждом отдельном случае с учетом требуемых свойств конкретного полуфабриката или изделия. В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств, старение подразделяют на полное, неполное и стабилизирующее.

Дополнительное повышение прочности медных сплавов и твердости можно получить холодной деформацией независимо от того, когда ее вести – между закалкой и старением или после них. В обоих случаях при одинаковой степени деформации достигаются одинаковые твердость и прочность. Деформация после старения не представляет затруднений, так как материал достаточно пластичен. При необходимости получения наибольшей электропроводности деформация между закалкой и старением более целесообразна.

Рассмотрим более детально принципы выбора упрочняющей тер-

мической обработки бериллиевых бронз. Растворимость бериллия в меди при 870 оС составляет приблизительно 2,3 % (по массе) и падает до 0,2 % при комнатной температуре. При закалке с высоких температур в бериллиевых бронзах фиксируется пересыщенный твердый раствор, и они приобретают способность к старению. Из-за опасности роста зерна сплавы БрБ2и БрБ2,5 нагревают под закалку до температуры 770–790 оС, а сплавы БНТl,9 и БНТl,7 – до 760–780 оС. Повышение температуры нагрева под закалку способствует пересыщению твердого раствора бериллием и вакан-

23

сиями. Оба эти фактора ускоряют распад при последующем старении. Однако пластичность сплавов при старении снижается и ухудшается штампуемость.

Критическая скорость охлаждения бериллиевых бронз составляет 30–60 оС/с. Слишком медленное охлаждение при температурах ниже 580 оС приводит к образованию по межзеренным границам сетки γ'-фазы. Замедленное охлаждение между 580 и 260 оС обусловливает преждевременное выделение из твердого раствора фазы-упрочнителя и, следовательно, уменьшает способность к последующему старению. Введение в бериллиевую бронзу никеля и кобальта заметно замедляет фазовые превращения и, соответственно, уменьшает критическую скорость охлаждения. Дисперсионное твердение бериллиевых бронз дает возможность получать широкую гамму свойств.

Обычно бериллиевые бронзы подвергают НТМО. В табл. 2.3 приведены оптимальные режимы старения полосы БрБ2 толщиной 0,5 мм, обжатой после закалки на 40 %.

Таблица 2.3

Оптимальные режимы старения бронзы БрБ2

Режимы старения выбирают в зависимости от требуемых физикомеханических свойств. На рис. 2.2 показано влияние времени старения бериллиевой бронзы на временное сопротивление при разных температурах старения.

Полное искусственное старение, обеспечивающее максимальную прочность, проводится при температуре (320 ±10) оС в течение двух часов.

Режимы неполного искусственного старения, определяющие заданный уровень свойств (пунктир на рис. 2.2), соответствуют восходящим ветвям кривых.

Режимы старения проводят или при сравнительно низких температурах и длительных выдержках (режим 1 – 290 оС; 2-3 ч), или при температуре полного старения, но укороченных выдержках (режим 3 – 320 оС; 30–50 мин), или, наконец, при повышенных температурах и коротких выдержках (режим 4 – 370 оС; 7–10 мин). Старение по режиму 1 легко кон-

24

тролируется, но экономически невыгодно из-за большой длительности процесса. Режим 3 не требует больших выдержек и прост в технологии в противоположность режиму 4, где контроль затруднителен. Перестаривание, обеспечивающее тот же уровень свойств, проводят при температурах выше температур полного старения и длительном времени (режим 2 – 370 оС, 1–24 ч). Режимы перестаривания соответствуют нисходящей ветви кривой (рис. 2.2). Длительное перестаривание – легко контролируемый процесс, но требует много времени.

Рис. 2.2. Зависимость временного сопротивления бронзы БрБ2 от времени старения при температурах 290, 320 и 370 оС (штриховкой указаны рекомендуемые длительности старения при разных температурах): 1 – длительное неполное старение; 2 – перестаривание; 3 – промежуточное неполное старение; 4 – кратковременное неполное старение

При решении вопроса, какому режиму старения – неполному старению или перестариванию – отдать предпочтение, следует учитывать то, какие свойства являются определяющими в эксплуатации данного изделия. Это может быть повышенная ударная вязкость, удовлетворительная способность к формоизменению после старения, стабильность в работе, повышенная электроили теплопроводность, минимальное коробление и деформация при старении, высокая коррозионная стойкость и т.д.

Неполное старение приводит к большей пластичности при заданном уровне прочности. Технологическое время при неполном старении относительно невелико, и в ряде случаев требуется тщательный его контроль.

25

Перестаривание облегчает контроль при длительных выдержках, так как свойства полуфабриката не слишком сильно зависят от времени. Большая полнота выделения упрочняющей фазы обусловливает более высокий уровень электропроводности, минимальный уровень остаточных напряжений, сравнительно высокий модуль упругости и повышенную пластичность.

В большинстве случаев термическая обработка продолжительностью более 2 ч экономически невыгодна, а менее 10 мин – не позволяет осуществлять эффективный контроль.

Ступенчатое, или двойное, старение можно проводить по двум схемам:

неполное старение с последующим повторным старением. Такой процесс позволяет легко контролировать пластичность, прочность и твердость и заключается в длительном нагреве ниже 320 оС или кратковременном выше 320 оС с последующим непродолжительным старением выше первоначальной температуры;

старение на максимальную прочность при высокой температуре в интервале 320–360 оС с последующим длительным старением (8–24 ч) при 260–290 оС. При такой обработке выделяется несколько большее количество упрочняющей γ-фазы, в результате чего повышаются прочность, твердость, электропроводность. Скорость охлаждения после старения не лимитируется.

Остаточные напряжения после старения можно уменьшить низкотемпературным отжигом без изменения прочности и твердости. Изделие нагревают до 150–200 оС в течение 15–30 мин. Эту обработку часто используют для снятия машинных, правочных или формирующих напряжений, таким образом стабилизируют форму и размер изделия.

2.3. Взаимодействие меди и ее сплавов с газами.

Применение защитных атмосфер

При термической обработке медь и ее сплавы могут взаимодействовать с кислородом, водородом, парами воды и другими соединениями (СН4 и т.п.). При нагреве слитков и полуфабрикатов в восстановительной среде Н2, Н2О, СН4 и другие содержащие водород соединения диссоциируют, образующийся атомарный водород быстро диффундирует внутрь металла, поскольку коэффициент диффузии водорода в меди довольно велик.

26

Водород взаимодействует с находящейся в меди закисью меди по реакции СuО + Н2 = 2Сu + 2Н2О. Выделяющиеся пары воды нерастворимы в меди и создают высокое давление, приводящее к несплошностям по границам зёрен и пустотам в теле зерна. Несплошности затем развиваются в трещины, что особенно сильно проявляется при горячей обработке давлением. Это явление называют водородной болезнью. Водородная болезнь развивается не только вследствие взаимодействия водорода с закисью меди по границам зерен. Атомарный водород, диффундирующий с поверхности в глубь металла по границам зерен, может взаимодействовать с атомарным, сегрегированным на границах зерен кислородом, образуя пары воды достаточно высокого давления. Безопасное содержание кислорода в меди не превышает 0,001 % (по массе). Оно не обнаруживается металлографически, так как при комнатной температуре кислород при этих концентрациях полностью находится в твердом растворе.

При отжиге кислородсодержащей меди в водороде он диффундирует внутрь металла даже при 150 оС, хотя охрупчивание не наступает в течение 10 лет, так как давление паров воды при этой температуре невелико. Повышение температуры до 200 оС сокращает время до разрушения до 1,5 лет. Заметное охрупчивание наступает лишь после нагрева до температур выше 374 оС (критическая температура для воды, выше которой она непрерывно переходит из жидкого состояния в газообразное). Нагрев при 400 оС вызывает хрупкость через 70 ч.

Отжиг изделий из бескислородной меди в окислительной атмосфере вызывает диффузию кислорода внутрь изделия в таких количествах, что при последующем нагреве в присутствии водорода наблюдается (до определенной глубины) водородная болезнь.

На практике выполняют пробу на отсутствие кислорода в меди. С этой целью изготавливают микрошлиф, на полированном шлифе при 75-кратном увеличении не должно быть видно закиси меди. После этого шлиф нагревают в сухом водороде при 850 оС в течение 40 мин и охлаждают в этой среде до 20 оС. При допустимом содержании кислорода такая процедура не должна приводить к образованию газовых пузырей, вздутия, мелкозернистой зоны на краю образца или к растравливанию по границам зерен.

Медь не рекомендуется нагревать выше 1000 оС во избежание пережога – сильного межкристаллитного окисления или оплавления по границам зерен. Кислород менее вреден, чем другие малорастворимые в меди примеси, так как он располагается в медной матрице в виде мелких обособленных включений Cu2О. Практически кислород в количествах до 0,1 % (по массе) не очень ухудшает качество металла. При более высоких содержаниях кислород охрупчивает медь на холоде и при повышенных

27

температурах. При высоких температурах он диффундирует по границам зерен и вызывает пережог.

Медь, взаимодействуя с кислородом печной атмосферы, окисляется, образуя, в зависимости от температуры, два окисла: окись CuO и закись Cu2О. При низких температурах (~ 100 оС) на поверхности меди появляется пленка окиси меди черного цвета. При высоких температурах (выше 600 оС) скорость окисления сильно возрастает, причем при этих температурах образуется плотная пленка закиси меди красного цвета.

Таким образом, при термической обработке меди и ее сплавов целесообразно применение защитных атмосфер, при использовании которых безвозвратные потери металла практически отсутствуют. Медные сплавы, в соответствии с требованиями к составу защитных атмосфер, можно разбить на следующие группы:

1.Медь, бронзы оловянные, оловянно-цинковые, оловянно-фосфо- ристые, латуни Л96-Л90, медно-никелевые сплавы типа мельхиора.

2.Бронзы, легированные бериллием, хромом, цирконием, марганцем, кремнием, алюминием и титаном.

3.Сплавы меди, содержащие более 20 % Zn (латуни, нейзильберы). Для любого сплава определенной группы оптимальной будет одна и

та же защитная атмосфера (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Сводная таблица составов защитных атмосфер

*Остальное – азот. В экзогазе может также содержаться до 1 % СН4.

Светлый отжиг меди и бонз при температурах 500–600 оС можно вести даже в атмосферах, содержащих избыточное количество СО2 и Н2О.

28

Поэтому в защитных средах эндо- и экзотермического газов можно получить светлую неокисленную поверхность.

Латуни при повышенных температурах не только окисляются с поверхности, но и образуют зону внутреннего окисления из-за диффузии кислорода внутрь изделия. Реагируя со свободным и связанным кислородом (пары воды, углекислый газ), пары цинка превращаются в распыленный окисел, который осаждается на холодных поверхностях в виде дисперсного порошка белого цвета.

Чем больше цинка содержится в сплаве, тем выше требования к составу газовой среды и режиму светлого отжига. При взаимодействии с воздухом на латуни уже при 300 оС образуется окисная пленка лимонножелтого цвета, которая с повышением температуры переходит в белесова- то-серую, характерную для окиси цинка и состоящую из кристаллов вытянутой игольчатой формы.

С увеличением температуры и продолжительности нагрева возгонка цинка в средах восстановительного действия резко возрастает, уменьшение

вмассе достигает иногда 30 % от первоначального. В двухфазных латунях поверхностный слой значительно обедняется цинком, вплоть до исчезновения β-фазы, иногда на глубину до 1 мм (рис. 2.3). Например, при отжиге

ватмосфере 96 % N2 и 4 % Н2 латуни после трехчасовой выдержки приобретают блестящую поверхность розоватого цвета меди вследствие возгонки цинка. Это явление весьма нежелательно, так как приводит при дальнейшей прокатке к образованию трещин и рябизне поверхности (красные пятна). Поэтому для светлого отжига латуней в садочных печах даже слабовосстановительные атмосферы не могут применяться.

Рис. 2.3. Зона обесцинкования в латуни Л63 после нагрева в атмосфере экзогаза при 600 оС, 4 ч. х200 (И.В. Наумкина)

Наиболее приемлемая атмосфера – азот, но присутствие в техническом азоте 0,01 % О2 уже достаточно для окисления латуней.

Таким образом, для светлого отжига медно-цинковых сплавов следует использовать в качестве защитной среды газы с большой плотностью –

29